JP6255318B2 - ユニフロー２ストロークエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ユニフロー２ストロークエンジンに関する。

シリンダの上端部に設けられた排気ポートと、シリンダの下部側部に設けられた掃気ポートとを有するユニフロー２ストロークエンジンが公知である。掃気ポートは、シリンダ内を往復動するピストンの側部によって開閉される。このエンジンでは、ピストンが上死点付近にあるときに燃焼が発生し、ピストンの下降に応じて排気弁が開かれ、膨張した既燃焼ガス（排気ガス）が排気ポートから排出される。この際、一般的な２ストロークエンジンでは、ピストンの下降によって、クランク室内の混合気が圧縮されると共に掃気ポートが開かれ、クランク室内の混合気が掃気ポートを通過してシリンダ内に流入する。これにより、シリンダ内の既燃焼ガスは流入する混合気によって排気ポートから押し出される。このとき、シリンダに流入する混合気の層と既燃焼ガスの層とが混ざり合わず、境界が明確であれば、既燃焼ガスのみを排気ポートから排出することが可能である。しかしながら、混合気の一部は、既燃焼ガスと混ざり合い、或いは既燃焼ガスよりも速い速度を有することによって、既燃焼ガスと共に排気ポートから外部に排出される、いわゆる吹き抜けが発生する。混合気の吹き抜けは、燃費や環境汚染の観点から好ましくない。

このような問題に対して、掃気ポートの経路上に混合気の分離装置を設けたエンジンがある（例えば、特許文献１）。このエンジンでは、混合気は遠心分離式の分離装置を通過することによって燃料がリッチな混合気と、燃料がリーンな混合気とに分離され、それぞれ異なる通路を通過してシリンダに供給される。そのため、燃料がリーンな混合気を使用して掃気を行うことができ、これにより排気ポートから排出される燃料の濃度を低下させることができる。

特許第５０３９７９０号公報

ユニフロー２ストロークエンジンでは、上記のような吹き抜けの抑制に対する要求に加え、熱効率を高めるべく圧縮自着火による点火方式を適用したいという要求がある。圧縮自着火による点火を安定的に行うためには、シリンダに供給される混合気の温度を高く維持する必要がある。掃気では、体積効率（吸気効率）の観点からできるだけシリンダ内の既燃焼ガスを排出することが好ましいが、このようにすると既燃焼ガス（排気ガス）が有するエネルギーが廃棄されることになり、シリンダ及びシリンダに流入する混合気の温度が低下し、圧縮自着火による点火が不安定になる。

本発明は、以上の背景を鑑み、ユニフロー２ストロークエンジンの暖機性能を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明はユニフロー２ストロークエンジン（Ｅ）であって、ピストン（２３）が往復動可能に受容され、前記ピストンの上方に燃焼室（２９）を形成するシリンダ（２２）と、前記シリンダの上端部に一端が連通した排気ポート（３１）と、前記排気ポートを開閉する排気弁（３２）と、前記シリンダの側部における下部に一端が連通し、前記ピストンによって前記燃焼室との連通及び遮断が切り替えられる掃気ポート（５５）と、前記シリンダの側部における前記掃気ポートよりも上側部分に一端が連通し、他端が前記掃気ポートに連通し、前記ピストンによって前記燃焼室との連通及び遮断が切り替えられる排気還流通路（５８）とを有することを特徴とする。

この構成によれば、燃焼後にピストンが下降するときに、掃気ポートがピストンによって開かれる前に、排気還流通路が開かれ、排気還流通路を介して燃焼室内の既燃焼ガス（排気ガス）が掃気ポートに流れる。これにより、排気還流通路を介して掃気ポートに流入する既燃焼ガスが有する熱によって、クランクケースが昇温され、暖機が促進される。また、既燃焼ガスによって、掃気ポート内の混合気の昇温及び燃料の蒸発が促進される。そのため、本発明に係るエンジンは圧縮自着火式の燃焼方式に適している。また、掃気ポートがピストンによって開かれるときには、掃気ポートには既燃焼ガスが多く存在し、最初にこの既燃焼ガスが燃焼室に流れ込み易くなる。これにより、燃焼室内の既燃焼ガスと、燃焼室に流入する混合気との間には、排気還流通路を介して掃気ポートに流入する既燃焼ガスの層が形成され、燃料室に流入する混合気と燃焼室の既燃焼ガスとの混合が抑制され、混合気の吹き抜けが抑制される。

また、上記の発明において、前記排気還流通路に設けられ、前記排気還流通路を介しての前記燃焼室側から前記掃気ポート側へのガスの流れを許容する一方、逆の流れを規制する一方向弁（５９）を更に有するとよい。

この構成によれば、ガスが掃気ポートから排気還流通路を介して燃焼室に流入することが抑制される。そのため、混合気を含むガスは、掃気ポートから直接に燃焼室に流入する１つの経路を流れ、流れが一定となり、燃焼室に流入する混合気と燃焼室内の既燃焼ガスとの混合が抑制される。これにより、混合気の吹き抜けが抑制される。

また、上記の発明において、前記一方向弁は、前記燃焼室側の圧力が前記掃気ポート側の圧力よりも所定値以上大きくなった場合に開くように構成されているとよい。前記一方向弁は、前記ピストンの下降行程において、前記排気ポート及び前記掃気ポートが開かれた状態で、閉じるように構成されているとよい。

これらの構成によれば、燃焼室での燃焼により既燃焼ガスが膨張するときに排気還流通路を介して燃焼室から掃気ポートに既燃焼ガスが流れ、掃気ポートが開かれたときには排気還流通路を介したガスの流れが遮断されるようになる。

また、上記の発明において、前記一方向弁は、前記シリンダを形成するシリンダスリーブの外周面に取り付けられたリード弁であるとよい。

この構成によれば、簡単な構成で排気還流通路に一方向弁を設けることができる。リード弁は、弁体（板状片）の弾性率を変更することによって、開タイミング（リード弁が開くときの排気還流通路の燃焼室側及び前記掃気ポート側の圧力差）を任意に調整することができる。

また、上記の発明において、前記排気弁は、前記ピストンの下降行程において、前記排気還流通路と前記燃焼室とが連通する前に開かれるように構成されているとよい。

この構成によれば、排気還流通路を介して掃気ポートに流れる既燃焼ガス量が抑制される。膨張行程（ピストンの下降行程）において、既燃焼ガスの排出経路が開かれるとエネルギーが高い既燃焼ガスは、排出経路に勢い良く流れる（いわゆる、排気ガス（既燃焼ガス）のブローダウン流）。そのため、排気還流通路が開かれる前に排気ポートが開かれることによって、既燃焼ガスの一部が排気ポートに逃がされ、排気還流通路に流れる既燃焼ガス量が抑制される。

また、上記の発明において、前記排気還流通路は、前記掃気ポートの下流側部分（５７Ｂ）に連通しているとよい。

この構成によれば、掃気ポートの下流側部分から既燃焼ガスが満たされ、混合気がクランク室側に押し出されるため、掃気ポートの下流側部分に既燃焼ガスの層が形成される。これにより、燃焼室に流入する混合気と、燃焼室内の既燃焼ガスとは、掃気ポートに形成された既燃焼ガスの層を介して混合が抑制され、混合気の吹き抜けが抑制される。

また、上記の発明において、前記掃気ポートは、上流端が前記シリンダの下方に形成されたクランク室（２Ａ）に連通しており、前記クランク室から前記シリンダの軸線に沿って上方に延びる上流側部分（５７Ａ）と、前記上流側部分の上端部から前記シリンダの外周に沿って周方向に延びる下流側部分（５７Ｂ）とを有し、前記排気還流通路は、前記下流側部分に連通しているとよい。

この構成によれば、掃気ポートの下流側部分が周方向に延在しているため、掃気ポートから燃焼室に流入するガスはスワールを形成し、燃焼室内の既燃焼ガスとの混合が抑制される。

また、上記の発明において、前記掃気ポートの前記下流側部分は、下流側に進むほど下方に進むように傾斜しているとよい。

この構成によれば、掃気ポートからシリンダ内に流入するガス流は、高い速度を有する初期に排気ポートと相反する側に流れ、ピストンの頂部やシリンダの内壁と衝突することによって速度が低下した後に排気ポート側に向きを変えるため、シリンダ内の既燃焼ガスとの混合が抑制されると共に、既燃焼ガスよりも先に排気ポートに到達することが抑制される。これにより、シリンダ内における既燃焼ガスの層と掃気ポートから供給されるガスの層との境界が明確になり、既燃焼ガスの排出が一層確実に行われると共に、掃気ポートから供給されるガスの排気ポートからの流出が一層確実に抑制される。

また、上記の発明において、圧縮自着火によって燃焼が開始するとよい。

この構成によれば、エンジンの熱効率が向上する。

以上の構成によれば、ユニフロー２ストロークエンジンの暖機性能を向上させることができる。

実施形態に係るエンジンの縦断面図 図１のII-II断面図 図２のIII-III断面図 図２のIV-IV断面図 図３のV-V断面図に対応したピストンの下降時のガスの流れを示す説明図

以下、図面を参照して、本発明を単気筒のユニフロー２ストロークエンジン（以下、エンジンＥという）に適用した実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るエンジンＥは、圧縮により着火するＨＣＣＩエンジンとして構成される。エンジンＥは、軽油やガソリンを燃料とする。

図１及び図２に示すように、エンジンＥの機関本体１は、内部にクランク室２Ａを画成するクランクケース２と、クランクケース２の上部に接合されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に接合されたシリンダヘッド４と、シリンダヘッド４の上部に接合され、シリンダヘッド４との間に上部動弁室６を画成するヘッドカバー５とを有する。

クランクケース２は、図２に示すように、上下に延びる面（シリンダ軸線Ａを通る面）で左右に分割された一対のクランクケース半体によって構成される。左右のクランクケース半体は、ボルトによって互いに締結され、両半体間にクランク室２Ａを形成する。クランクケース２の左右の側壁２Ｂ、２Ｃには、軸受を介してクランクシャフト８が回転可能に支持される。

クランクシャフト８は、クランクケース２の側壁２Ｂ、２Ｃに支持される一対のジャーナル８Ａと、両ジャーナル８Ａ間に設けられた一対のウェブ８Ｂと、両ウェブ８Ｂによってジャーナル８Ａから偏心した位置に支持されたクランクピン８Ｃとを有する。

右側壁２Ｃの外面側にはエンドプレート１１が締結される。エンドプレート１１は、周縁部において右側壁２Ｃの外面に締結され、右側壁２Ｃとの間に下部動弁室１２を形成する。クランクシャフト８の左端部８Ｄは、クランクケース２の左側壁２Ｂを貫通して左方に延出する。クランクシャフト８の右端部８Ｅは、クランクケース２の右側壁２Ｃ及びエンドプレート１１を貫通して右方へと延出する。クランクシャフト８の左端部８Ｄが左側壁２Ｂを貫通する部分、及び右端部８Ｅがエンドプレート１１を貫通する部分には、クランク室２Ａの気密性を確保するためのシール部材がそれぞれ設けられる。

クランクケース２の上部には、上下に延び、上端がクランクケース２の上端面に開口すると共に、下端がクランク室２Ａに向けて開口する断面円形の第１スリーブ受容孔１６が形成されている。

シリンダブロック３は、上下に延在し、下端面においてクランクケース２の上端面に接合される。シリンダブロック３には、上端面から下端面に上下に貫通する第２スリーブ受容孔１８が形成されている。第２スリーブ受容孔１８は、上部が下部に対して段違いに拡径された円形断面の段付き孔であり、上部及び下部の境界部に上方を向く環状の肩面１８Ａを有する。第２スリーブ受容孔１８の下端開口は、シリンダブロック３の第１スリーブ受容孔１６の上端開口と同軸に対向し、互いに連通する。第１スリーブ受容孔１６及び第２スリーブ受容孔１８の下部の内径は等しく、連続した孔を形成する。

第１及び第２スリーブ受容孔１６、１８には、円筒状のシリンダスリーブ１９が圧入される。シリンダスリーブ１９は、外周部に径方向外方に突出する環状の凸部２１を有する。凸部２１が肩面１８Ａに当接することによって、シリンダスリーブ１９の第１及び第２スリーブ受容孔１６、１８に対する位置が定まる。シリンダスリーブ１９の下端は、第１スリーブ受容孔１６の下端開口から下方に突出し、クランク室２Ａの内部において突出端となっている。シリンダスリーブ１９の上端はシリンダブロック３の上端面と面一となる位置に配置され、シリンダブロック３に接合されるシリンダヘッド４の下端面に当接する。これにより、シリンダスリーブ１９は、肩面１８Ａとシリンダヘッド４の下面との間に挟持され、シリンダ軸線Ａ方向において位置が定まる。シリンダスリーブ１９の内孔は、シリンダ２２を形成する。

シリンダ２２には、往復動可能にピストン２３が受容される。ピストン２３は、クランクシャフト８と平行に延びるピストンピン２３Ａを有する。ピストンピン２３Ａには、軸受を介してコンロッド２６の小端部が回動可能に支持される。コンロッド２６の大端部は、軸受を介してクランクピン８Ｃに回動可能に支持される。ピストン２３とクランクシャフト８とがコンロッド２６によって連結されることによって、ピストン２３の往復動がクランクシャフト８の回転運動に変換される。

図１及び図２に示すように、シリンダヘッド４の下端面におけるシリンダスリーブ１９に対応する位置には、半球状の燃焼室凹部２８が形成されている。シリンダ２２の上部は、燃焼室凹部２８及びピストン２３の頂面と共に燃焼室２９を形成する。

シリンダヘッド４には、点火プラグ３０が燃焼室２９に臨むように設けられている。また、シリンダヘッド４には、排気ポート３１が燃焼室２９の頂部に開口するように形成されると共に、排気ポート３１を開閉するポペット型の排気弁３２が設けられている。排気弁３２は、そのステムエンドが上部動弁室６に配置され、バルブスプリング３３によって閉方向に付勢されている。排気弁３２は、動弁機構３４によって、クランクシャフト８の回転に同期して開閉駆動される。

図２に示すように、動弁機構３４は、クランクシャフト８の回転に応じて回転するカムシャフト４１と、カムシャフト４１によって進退駆動されるプッシュロッド４２と、プッシュロッド４２によって駆動され、排気弁３２を開方向に押すロッカアーム４３とを有する。カムシャフト４１は、下部動弁室１２にクランクシャフト８と平行に配置されている。カムシャフト４１は、一端がクランクケース２の右側壁２Ｃに回転可能に支持されると共に、他端がエンドプレート１１に回転可能に支持される。クランクシャフト８は、下部動弁室１２に位置する部分にクランクギヤ４５を有し、カムシャフト４１はクランクギヤ４５に噛み合うカムギヤ４６を有する。クランクギヤ４５とカムギヤ４６のギヤ比は１：１である。カムシャフト４１には、板カムであるカム４７が設けられている。

プッシュロッド４２は、両端が開口した管状のロッドケース５１に進退可能に収容されている。ロッドケース５１は、上下に延在し、下端がクランクケース２の右側壁２Ｃに接合されて下部動弁室１２に連通すると共に、上端がシリンダブロック３に接合されて上部動弁室６に連通する。プッシュロッド４２は、下端においてカムシャフト４１のカム４７に当接し、カムシャフト４１の回転に応じて進退する。プッシュロッド４２の下端にローラを設け、ローラにおいてカム４７に転接するようにしてもよい。

ロッカアーム４３は、シリンダヘッド４に支持されたロッカシャフト５２に回動可能に支持される。ロッカシャフト５２は、シリンダ軸線Ａ及びクランクシャフト８の軸線と直交する方向に延在する。ロッカアーム４３は、一端にプッシュロッド４２の上端に当接する受け部４３Ａを有し、他端に排気弁３２のステムエンドに当接するスクリュアジャスタ４３Ｂを有する。

以上の構成の動弁機構３４によって、クランクシャフト８が１回転する毎に、所定のタイミングで排気弁３２が１回開かれる。

図１に示すように、クランクケース２の前側壁２Ｄには、前方に突出した突出部２Ｆが形成されている。突出部２Ｆの内部は、前後に延びる通路２Ｇを形成し、後端においてクランク室２Ａに連通し、前端が開口となっている。通路２Ｇの前端は、突出部２Ｆの前端に締結された蓋３６によって閉塞されている。突出部２Ｆの左側壁部には、突出部２Ｆの外部と内部とを連通する貫通孔である吸気ポート５３が形成されている。吸気ポート５３の外端には、図示しない吸気通路が接続される。吸気ポート５３には、吸気ポート５３側からクランク室２Ａ側への流体の流れを許容する一方で、クランク室２Ａ側から吸気ポート５３側への流体の流れを阻止するリード弁５４が設けられている。リード弁５４は、通常は閉弁しており、ピストン２３の上昇によってクランク室２Ａ内の圧力が低下すると開弁する。

クランクケース２及びシリンダスリーブ１９には、クランク室２Ａとシリンダスリーブ１９の内部とを連通する掃気ポート５５が形成されている。掃気ポート５５は、シリンダスリーブ１９に形成された掃気口５６と、掃気口５６からクランク室２Ａに延びる通路部５７とを含む。通路部５７は、クランクケース２の上部であって、第１スリーブ受容孔１６の周囲に形成されている。本実施形態では、１つの掃気ポート５５が、２つの掃気口５６と１つの通路部５７とを有する。掃気口５６は、シリンダスリーブ１９の第１スリーブ受容孔１６内に対応する部分に、径方向に貫通するように形成されている。掃気口５６の高さ寸法は、ピストン２３の外周面の高さ寸法よりも小さく設定されている。

掃気口５６（掃気ポート５５）は、ピストン２３の往復動によって開閉される。具体的には、ピストン２３が掃気口５６と対応する位置にあるときには、掃気ポート５５はピストン２３の外周部によって閉じられ、ピストン２３の下縁が掃気口５６の下縁よりも上方（上死点側）にあるときには、掃気ポート５５がシリンダ２２のピストン２３よりも下側部分と連通するように開かれ、ピストン２３の上縁が掃気口５６の上縁よりも下方（下死点側）にあるときには、掃気ポート５５がシリンダ２２のピストン２３よりも上側部分（燃焼室２９）と連通するように開かれる。

図１〜図３に示すように、本実施形態では、エンジンＥは２つの掃気ポート５５を有する。２つの掃気ポート５５及び掃気口５６は、シリンダ軸線Ａを中心として、回転対称形をなし、１８０°回転対称位置に配置されている。

各掃気ポート５５の上流側部分５７Ａは、クランク室２Ａに連通する下端からシリンダスリーブ１９の径方向外方をシリンダ軸線Ａと平行に上方に延びる。上流側部分５７Ａの上端は、掃気口５６の上縁よりも上方に配置される。

図３に示すように、下流側部分５７Ｂは、上流側部分５７Ａの上部から掃気口５６に向けてシリンダスリーブ１９の径方向外方を周方向に延在する。下流側部分５７Ｂは、シリンダ軸線Ａに沿った上側から見た場合に、上流側から下流側に向けてシリンダ軸線Ａを中心とした反時計回り方向に延在している。下流側部分５７Ｂの下流端は、２つの掃気口５６と連通している。

図２に示すように、下流側部分５７Ｂは、シリンダ軸線Ａを中心とした周方向において上流側から下流側に進むにつれて下方に進むように傾斜するとよい。また、図５に示すように、シリンダ軸線Ａを中心とした径方向において上流側（径方向外側）から下流側（径方向内側）に進むにつれて下方に進むように傾斜するとよい。下流側部分５７Ｂは、掃気ポート５５からシリンダ２２内に流入するガス流に下向きの速度成分を与えるガイド手段として機能する。

図１及び図４に示すように、シリンダスリーブ１９には、掃気ポート５５とシリンダスリーブ１９の内部とを連通する排気還流通路５８が形成されている。排気還流通路５８は、各掃気ポート５５に対応するように一対に設けられている。排気還流通路５８は、シリンダスリーブ１９の掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂに対応する部分であって掃気口５６よりも上方の部分に、径方向に貫通するように形成されている。詳細には、排気還流通路５８の下縁は、掃気口５６の上縁よりも上方に配置されている。排気還流通路５８のシリンダ２２の内周面側の開口端の高さ寸法は、掃気口５６の高さ寸法よりも小さく設定されている。

排気還流通路５８は、可能な限り、掃気ポート５５の下流側に連通していることが好ましい。本実施形態では、２つの掃気口５６の内で掃気ポート５５の下流側に配置された掃気口５６の上方に排気還流通路５８が配置されている。

排気還流通路５８は、ピストン２３の往復動によって開閉される。具体的には、ピストン２３が排気還流通路５８と対応する位置にあるときには、排気還流通路５８はピストン２３の外周部によって閉じられ、ピストン２３の下縁が排気還流通路５８の下縁よりも上方（上死点側）にあるときには、排気還流通路５８がシリンダ２２のピストン２３よりも下側部分と連通するように開かれ、ピストン２３の上縁が排気還流通路５８の上縁よりも下方（下死点側）にあるときには、排気還流通路５８がシリンダ２２のピストン２３よりも上側部分（燃焼室２９）と連通するように開かれる（図５（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

図４に示すように、排気還流通路５８には、燃焼室２９側から掃気ポート５５側へのガスの流れを許容し、逆方向（掃気ポート５５側から燃焼室２９側）のガスの流れを禁止する一方向弁５９が設けられている。一方向弁５９は、燃焼室２９側の圧力が掃気ポート５５側の圧力よりも所定値以上大きくなった場合に、開くように閉じ方向に付勢されていることが好ましい。本実施形態では、一方向弁５９は、掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂ内に配置され、シリンダスリーブ１９の外周面に結合されたリード弁５９である。リード弁５９は、例えば金属材料から形成された可撓性を有する板状片５９Ａを含む。板状片５９Ａは、基端部においてシリンダスリーブ１９の外周面にねじ等によって締結され、先端部において排気還流通路５８の掃気ポート５５側の開口端を閉塞する。板状片５９Ａは、自身の弾性力によって排気還流通路５８の掃気ポート５５側の開口端側に付勢され、シリンダスリーブ１９の内側の圧力と掃気ポート５５の圧力との差が所定値未満である場合にシリンダスリーブ１９の外周面に密着している。ピストン２３が下降して排気還流通路５８を開き、かつシリンダスリーブ１９の内側の圧力が掃気ポート５５の圧力よりも所定値以上大きくなった場合には、板状片５９Ａが圧力を受けて屈曲し、排気還流通路５８と掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂとの連通状態が形成される。

図１に示すように、シリンダスリーブ１９のクランク室２Ａに突入した下端部の外周部には環状の油路形成部材６０が接合されている。油路形成部材６０の内周面は、シリンダスリーブ１９の外周面と周方向にわたって面接触する。シリンダスリーブ１９の外周面であって、油路形成部材６０の内周面に対向する部分には、周方向に環状に延在する環状溝（番号省略）が形成されている。環状溝は、油路形成部材６０によって覆われ、環状の通路を形成する。油路形成部材６０には、径方向に貫通し、環状溝に連通する油入口孔（番号省略）が形成されている。シリンダスリーブ１９には、径方向に貫通し、環状溝と連通する油供給孔（番号省略）が形成されている。油供給孔は、シリンダスリーブ１９の周方向において複数形成されている。

シリンダブロック３には、第１油路６４が形成されている。第１油路６４は、シリンダブロック３の側面に開口する一端と、シリンダブロック３の下端面に開口する他端とを有する。クランクケース２には、掃気ポート５５からシリンダブロック３の下端面であって、第１油路６４が開口する部分に延びる通路６５が形成されている。第１油路６４のシリンダブロック３の下端面における開口端には、第２油路を形成する第２油路管６６の一端が接続されている。第２油路管６６は、通路６５内を延びて掃気ポート５５内に突入し、他端が油路形成部材６０の油入口孔に接続されている。これにより、図示しないオイルポンプによって圧送されたオイルは、第１油路６４、第２油路管６６、油入口孔、環状溝、及び油供給孔を順に通過してシリンダスリーブ１９の内壁に供給される。

図２に示すように、クランクケース２の左右側壁２Ｂ、２Ｃの内面には、互いに近接する方向に突出する鍔部７１が設けられている。鍔部７１は、クランクシャフト８と干渉しないように、ピストン２３が上死点に位置するときのウェブ８Ｂの上端よりも上方に配置される。また、一対の鍔部７１は、コンロッド２６と干渉しないように、その先端同士が左右方向において所定の隙間を有するように配置されている。

図１に示すように、クランクケース２の後側壁２Ｅであって、鍔部７１よりも上方に位置する部分には、燃料噴射弁６８が取り付けられている。燃料噴射弁６８の先端は、シリンダスリーブ１９の下端を向いている。燃料噴射弁６８は、所定のタイミングでクランク室２Ａに燃料を噴射する。

このように構成されたエンジンＥは、始動後、次のように動作する。図１を参照すると、まず、ピストン２３の上昇行程では、ピストン２３の上昇に伴うクランク室２Ａの膨張によって、クランク室２Ａの圧力が低下する。これにより、リード弁５４が開弁し、新気が吸気ポート５３を介してクランク室２Ａに流入する。クランク室２Ａに流入した新気には、燃料噴射弁６８から燃料が噴射され、混合気が生成される。同時に、シリンダ２２の上部（燃焼室２９）の混合気はピストン２３によって圧縮されて高温になり、ピストン２３が上死点近傍にあるときに自着火する（圧縮自着火）。なお、エンジンＥの始動時には、点火プラグ３０による火花点火によって燃料が燃焼する。

その後、ピストン２３が下降行程に移ると、ピストン２３の下降に伴うクランク室２Ａの収縮によって、クランク室２Ａの圧力が上昇する。これにより、リード弁５４が閉じられ、クランク室２Ａ内の混合気が圧縮される。ピストン２３の下降が進むと、動弁機構３４に駆動された排気弁３２が排気ポート３１を開く。これにより、燃焼室２９内の膨張した排気ガス（既燃焼ガス）がブローダウン流となって排気ポート３１に流れる。続いて、ピストン２３の上端縁が排気還流通路５８の上縁より下がると（ピストン２３が排気還流通路５８を開くと）、燃焼室２９と排気還流通路５８とが連通する。このとき、シリンダ２２内の既燃焼ガスの圧力は未だ高く、クランク室２Ａの圧力よりも高い。そのため、図５（Ａ）に示すように、排気還流通路５８の圧力と掃気ポート５５の圧力との差が所定値以上になって一方向弁５９が開き、排気還流通路５８を介して燃焼室２９から掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂに既燃焼ガス（図中の網掛け付き矢印）が流れる。これにより、下流側部分５７Ｂが既燃焼ガスで満たされる。その後、ピストン２３の下降が進むと、シリンダ２２内の既燃焼ガスの圧力は低下し、クランク室２Ａの圧力との差が所定値未満になり、一方向弁５９が閉じられる。

その後、ピストン２３の下降が進み、ピストン２３の上端縁が掃気口５６の上縁より下がると（ピストン２３が掃気ポート５５を開くと）、燃焼室２９と掃気ポート５５とが連通する。このとき、燃焼室２９内の既燃焼ガスの圧力は十分に低下し、クランク室２Ａの圧力よりも低くなる。そのため、図５（Ｂ）に示すように、掃気ポート５５から燃焼室２９にガスが流れる。このとき、排気還流通路５８を介して流入した既燃焼ガスで下流側部分５７Ｂが満たされているため、最初に掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂ内の既燃焼ガス（図中の網掛け付き矢印）がシリンダ２２に流入し、続いてクランク室２Ａからの混合気（図中の白抜き矢印）がシリンダ２２に流入する。これにより、燃焼室２９内の既燃焼ガスは、下流側部分５７Ｂに存在する既燃焼ガス及び混合気によって押し出されるように排気ポート３１から排出され、その一部は内部ＥＧＲガスとして燃焼室２９内に残留する。

ピストン２３が再び上昇行程に移ると、最初に掃気ポート５５がピストン２３によって閉じられ、続いて排気還流通路５８がピストン２３によって閉じられる。ピストン２３の上昇行程において、排気還流通路５８が閉じられるまでの間、排気ポート３１が開かれているため、燃焼室２９の圧力が掃気ポート５５の圧力よりも所定値以上となることはない。そのため、一方向弁５９は閉じた状態に維持され、燃焼室２９から排気還流通路５８を介して掃気ポート５５にガスが流れることはない。その後、ピストン２３が更に上昇すると、カム４７によって駆動された排気弁３２が排気ポート３１を閉じ、ピストン２３の上昇に伴って燃焼室２９内の混合気が圧縮される。同時に、クランク室２Ａ内が減圧され、リード弁５４から新気が吸入される。

このようにして、エンジンＥは２サイクル動作を行う。掃気ポート５５からシリンダ２２を経由して排気ポート３１へと流れる掃気及び排気の流れは、曲がりの少ないユニフローとなる。

以下、本実施形態に係るエンジンＥの効果を説明する。エンジンＥでは、燃焼後にピストン２３が下降するときに、掃気ポート５５がピストン２３によって開かれる前に、ピストン２３によって排気還流通路５８が開かれ、排気還流通路５８を介して燃焼室２９内の既燃焼ガスが掃気ポート５５に流れる。これにより、掃気ポート５５がピストン２３によって開かれるときには、掃気ポート５５には既燃焼ガスが多く存在し、最初にこの既燃焼ガスが燃焼室２９に流れ込む。これにより、燃焼室２９内の既燃焼ガスと、クランク室２Ａから掃気ポート５５を通過して燃焼室２９に流入する混合気との間には、排気還流通路５８を介して掃気ポート５５に流入した既燃焼ガスの層が存在し、流入する混合気と燃焼室２９内の既燃焼ガスとの混合が抑制され、混合気の吹き抜けが抑制される。

また、排気還流通路５８を介して掃気ポート５５に流入する既燃焼ガスが有する熱量によって、掃気ポート５５及び掃気ポート５５を通過する混合気の昇温が促進されると共に、混合気に含まれる液体燃料の蒸発が促進されるため、エンジンＥは圧縮自着火式の燃焼方式を採用することができる。

また、一方向弁５９を排気還流通路５８に設けたため、ガスが掃気ポート５５から排気還流通路５８を介して燃焼室２９に流入することが抑制される。そのため、混合気を含むガスは、掃気ポート５５から直接に燃焼室２９に流入する１つの経路を流れ、流れが一定となり、燃焼室２９に流入する混合気と燃焼室２９内の既燃焼ガスとの混合が抑制される。これにより、混合気の吹き抜けが抑制される。

また、一方向弁５９が、排気還流通路５８の圧力が掃気ポート側の圧力よりも所定値以上大きくなった場合に開くように構成されているため、ピストン２３の下降時であって、ピストン２３によって排気還流通路５８が開かれ、かつピストン２３によって掃気ポート５５が閉塞された期間に一方向弁５９が開かれ、その他の期間はピストン２３によって排気還流通路５８が開かれていても一方向弁５９が閉じられるようになる。これにより、掃気ポート５５が開かれる直前の所定の期間のみ排気還流通路５８を介して燃焼室２９から掃気ポート５５に既燃焼ガスが流入するようになる。

また、ピストン２３が上死点から下降するときに、排気還流通路５８と燃焼室２９とが連通する前に排気弁３２が開かれるため、排気還流通路５８が燃焼室２９と連通するときには燃焼室２９の圧力がある程度低下し、排気還流通路５８を介して掃気ポート５５に流れる既燃焼ガスの量が過大となることが抑制される。膨張行程において、既燃焼ガスの排出経路が開かれるとエネルギーが高い既燃焼ガスは、勢い良くその排出経路に流れる（いわゆる、排気ガスのブローダウン流）。そのため、排気還流通路５８が開かれる前に排気ポート３１を開くことによって、既燃焼ガスの一部を逃がし、排気還流通路５８に流れる既燃焼ガスの量を抑制することができる。

また、排気還流通路５８が、掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂに連通しているため、掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂから既燃焼ガスが満たされ、混合気がクランク室側に押し出される。そのため、掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂに既燃焼ガスの層が形成される。これにより、燃焼室２９に流入する混合気と、燃焼室２９内の既燃焼ガスとは、掃気ポート５５に形成された既燃焼ガスの層を介して混合が抑制され、混合気の吹き抜けが抑制される。

下流側部分５７Ｂは、シリンダスリーブ１９の径方向外方を周方向に沿って延在するため、クランクケース２を含む機関本体１の大型化を招かずに、下流側部分５７Ｂの長さを確保することができる。また、下流側部分５７Ｂが周方向に延在することによって、下流側部分５７Ｂを流れる混合気は、シリンダ軸線Ａを中心とした周方向の速度成分を有し、掃気口５６にシリンダ２２の接線方向から進入する。これにより、混合気はシリンダ２２内においてスワール流を形成する。シリンダ２２内を流れる混合気が、上方に直線状に流れず、スワール流を形成することによって、混合気層と既燃焼ガス層との混合が抑制され、両層の境界が一層明確になる。

また、掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂは、シリンダ軸線を中心とした周方向及び径方向において下流側に進むほど下方に進むように傾斜しているため、掃気ポート５５から燃焼室２９内に流入するガス流は、高い速度を有する初期に排気ポート３１と相反する側に流れ、ピストン２３の頂部やシリンダ２２の内壁と衝突することによって速度が低下した後に排気ポート３１側に向きを変えるため、燃焼室２９の既燃焼ガスとの混合が抑制されると共に、既燃焼ガスよりも先に排気ポート３１に到達することが抑制される。これにより、燃焼室２９内における既燃焼ガスの層と掃気ポート５５から供給されるガスの層との境界が明確になり、既燃焼ガスの排出を一層確実に行うことができると共に、掃気ポート５５から供給されるガスの排気ポート３１からの流出を一層確実に抑制することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、排気還流通路５８の形状や数は、適宜変更することができる。例えば、掃気ポート５５の下流側部分５７Ｂの上壁の位置を掃気口５６の上縁と同じ高さに配置し、排気還流通路５８がシリンダスリーブ１９に形成された貫通孔と、クランクケース２に形成され、貫通孔から下流側部分５７Ｂに向けて延びる通路部とを有するように構成してもよい。また、上記の実施形態では、排気還流通路５８がそれぞれ設けられた掃気ポート５５を一対設けたが、掃気ポート５５及び排気還流通路５８の数及び配置は任意に変更することができる。

１...機関本体、２...クランクケース、２Ａ...クランク室、３...シリンダブロック、４...シリンダヘッド、５...ヘッドカバー、８...クランクシャフト、１６...第１スリーブ受容孔、１８...第２スリーブ受容孔、１９...シリンダスリーブ、２２...シリンダ、２３...ピストン、２９...燃焼室、３１...排気ポート、３２...排気弁、５３...吸気ポート、５４...リード弁、５５...掃気ポート、５６...掃気口、５７...通路部、５７Ａ...上流側部分、５７Ｂ...下流側部分、５８...排気還流通路、５９...一方向弁（リード弁）、５９Ａ...板状片、６８...燃料噴射弁、Ａ...シリンダ軸線、Ｅ...エンジン

Claims (9)

1. ピストンが往復動可能に受容され、前記ピストンの上方に燃焼室を形成するシリンダと、
   前記シリンダの上端部に一端が連通した排気ポートと、
   前記排気ポートを開閉する排気弁と、
   前記シリンダの側部における下部に一端が連通し、前記ピストンによって前記燃焼室との連通及び遮断が切り替えられる掃気ポートと、
   前記シリンダの側部における前記掃気ポートよりも上側部分に一端が連通し、他端が前記掃気ポートに連通し、前記ピストンによって前記燃焼室との連通及び遮断が切り替えられる排気還流通路と、
   前記排気還流通路に設けられ、前記排気還流通路を介しての前記燃焼室側から前記掃気ポート側へのガスの流れを許容する一方、逆の流れを規制する一方向弁とを有し、
   前記一方向弁は、前記シリンダを形成するシリンダスリーブの外周面に取り付けられたリード弁であることを特徴とするユニフロー２ストロークエンジン。
2. 前記掃気ポートは、前記シリンダスリーブの径方向外方を周方向に沿って延在する下流側部分を有し、
   前記排気還流通路は、前記シリンダスリーブに径方向に貫通するように形成され、前記下流側部分に連通していることを特徴とする請求項１に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
3. 前記一方向弁は、前記ピストンの下降時であって、前記ピストンによって前記排気還流通路が開かれ、かつ前記ピストンによって前記掃気ポートが閉塞された期間に開かれることを特徴とする請求項２に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
4. 前記一方向弁は、前記ピストンの上昇時に閉じられていることを特徴とする請求項３に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
5. 前記一方向弁は、前記ピストンの下降行程において、前記排気ポート及び前記掃気ポートが開かれた状態で、閉じるように構成されていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つの項に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
6. 前記排気弁は、前記ピストンの下降行程において、前記排気還流通路と前記燃焼室とが連通する前に開かれるように構成されていることを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つの項に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
7. 前記掃気ポートは、上流端が前記シリンダの下方に形成されたクランク室に連通しており、前記クランク室から前記シリンダの軸線に沿って上方に延び、前記下流側部分に接続した上流側部分を有することを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１つの項に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
8. 前記掃気ポートの前記下流側部分は、下流側に進むほど下方に進むように傾斜していることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか１つの項に記載のユニフロー２ストロークエンジン。
9. 圧縮自着火によって燃焼が開始することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つの項に記載のユニフロー２ストロークエンジン。

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